北斗卫星导航系统的现状及发展前景分析

北斗卫星导航系统的现状及发展前景分析

作者：苏相琴

来源：《广西广播电视大学学报》2019年第03期

[摘要]文章基于国际上成熟的卫星导航系统的现状，重点阐述了北斗卫星导航系统发展历程，介绍了北斗卫星导航系统构成、功能等关键技术，阐述了北斗卫星导航系统在智慧城市、交通运输等领域的应用现状，最后分析了北斗卫星导航系统未来的发展前景。

[关键词]卫星导航系统;北斗卫星导航系统;应用;发展前景

[中图分类号]P228.1 [文献标识码]A [文章编号]1008-7656（2019）03-0089-04

引言

随着卫星导航系统的发展壮大，卫星导航系统进入了与定位、导航、授时、移动通信和因特网等多源信息载体融合的新时期，卫星导航系统成了国民经济发展的重要基础设施。一直以来，我国探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统，随着北斗卫星导航系统的成功建设，使我国成为了拥有自主建设、独立运行卫星导航系统的国家，填补了我国卫星导航领域的空白。该系统可为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务，能与其他卫星导航系统兼容，是我国重要空间基础设施。为此，对北斗卫星导航系统的现状及发展前景进行分析具有重要意义。

一、卫星导航系统发展现状

目前，国际上有四大成熟的卫星导航系统，分别为全球定位系统、全球卫星导航系统、伽利略卫星导航系统和北斗卫星导航系统。

（一）全球定位系统（GPS）

GPS的研究源于美国的子午仪卫星定位系统。20世纪末，美国为实现在陆海空三大领域进行实时、全天候和全球性的导航服务，联合陆海空三军研制了新一代的卫星定位系统GPS，并于1994年建成并覆盖全球范围，计划2030年，投入使用第三代GPS系统。

目前，GPS技术已经发展成为国际性高新技术产业，实现多领域、多模式、多用途、多机型的服务，许多国家都在使用GPS终端设备，包括我们国家目前也在使用[1]。

（二）全球卫星导航系统（GLONASS）

GLONASS最早开发于苏联时期。1993年，俄罗斯开始独自建立本国的全球卫星导航系统;2007年，导航系统开始运营，服务范围在俄罗斯境内;2009年，服务范围拓展到全球;2011年，在全球正式运行。

GLONASS与GPS一样可为全球海陸空以及近地空间的各种用户提供全天候、连续高精度的三维位置、三维速度和时间信息。其与GPS的兼容使用，可以提供更好的精度几何因子，消除GPS的SA影响，进一步提高定位精度[2]。

（三）伽利略卫星导航系统

伽利略卫星导航系统是由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统。1999年，由欧洲委员会公布，2002年正式启动，2016年投入使用[2]。

伽利略卫星导航系统可提供高精度、高可靠性的定位服务，实现覆盖全球的导航和定位功能，是全球首个民用的导航系统，属于非军方控制、管理。其还能够和其他成熟导航系统实现多系统的兼容，可同时采集并组合各个系统的数据来实现定位导航的要求[1]。

（四）北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System）是我国自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施[1]。

1985年至1994年，我国进入自主卫星导航系统的演示论证期。1994年至2002年，进入北斗卫星导航实验系统研制的建设期。 1994年，启动北斗一号系统工程建设。北斗一号系统可提供定位、授时、广域差分和短报文通信的服务，实现有源定位。2003年，增加发射的卫星进一步增强系统的性能。2004年，启动北斗二号系统工程建设。该系统保留了北斗一号系统的双向位置报告等功能，与GPS系统在很多方面都有着相似之处，且增加了无源定位体系。2009年，启动北斗三号系统建设。2012年，完成14颗卫星的组网，建成了覆盖亚太区域、形成区域无源服务能力的北斗区域卫星导航系统。2018年底，完成19颗卫星的组网，实现中国北斗三号基本系统的组网建设，北斗三号系统由区域扩展为全球服务，北斗卫星导航系统正式迈入全球时代[1-3]。

目前，正在实施北斗三号系统建设。2019年，北斗卫星导航系统计划发射8～10颗北斗导航卫星，将继续进行高密度全球组网建设，进一步完善全球系统星座布局。计划2020年年底前，完成30颗卫星发射组网，全面建成北斗三号系统，形成全球无源服务能力，达到世界一流水平[2-3]。2035年，我国还将围绕北斗卫星导航系统这个核心内容，完成更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时（PNT）体系。

结合国情，我国积极探索卫星导航系统的建设道路，已逐步形成了“三步走”的发展战略。第一步：2000年底，建成北斗一号系统，向中国提供服务。第二步：2012年底，建成北斗二号系统，向亚太地区提供服务。第三步：计划在2020年前后，建成北斗全球系统，向全球提供服务[1]。目前，正在实施第三步发展战略。

二、北斗卫星导航系统关键技术的发展

北斗卫星导航系统服务区为全球，包括“一带一路”国家和地区在内的世界各地。目前，根据全球范围测试评估结果，在北斗三号系统基本建成，并提供全球服务期间，北斗卫星导航系统整体运行稳定，在全球区域的定位精度优于10米（预期的定位精度10米），在亚太区域的定位精度优于5米（预期的定位精度5米），符合预期设定的指标。

（一）北斗卫星导航系统构成

北斗卫星导航系统由三大部分组成，包括空间星座（空间段）、地面控制（地面段）和用户终端（用户段）[1]。

1. 空间星座（空间段）

空间星座是若干卫星持续发射载有导航电文的无线电波，由地球上的各种接收机来接收信息并进行应用。若干卫星是混合导航星座，由静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星三种轨道卫星组成。截止2018年12月，北斗卫星导航系统有15颗北斗二号和18颗北斗三号卫星在轨工作，为全球提供服务。

2. 地面控制（地面段）

地面控制包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站，以及星间链路运行管理设施，用来追踪及控制北斗导航卫星的运转。地面控制主要是监视系统状态，调度卫星;通过收集到的卫星数据，计算导航信息，修正与维护每颗卫星的各项参数数据等，使空间星座的卫星能正常运行。

主控站：主要是收集数据、处理数据，根据数据分析的结果，完成规划及调度，实现系统正常运行的控制和管理。收集时间同步/注入站、监测站的数据，通过处理，形成卫星导航电文，向卫星注入导航电文参数，监测卫星有效载荷等。

时间同步/注入站：根据主控站的统一调度，完成主要任务，包括注入卫星导航电文参数，交换与主控站的数据、同步测量时间等。

监测站：连续跟踪监测导航卫星，接收导航信号，将导航信号发送给主控站，提供观测数据生成导航电文。